相干接收器的学习笔记，随时随评论与学习进度更新

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我是靠谱客的博主安静墨镜，最近开发中收集的这篇文章主要介绍相干接收器的学习笔记，随时随评论与学习进度更新，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

直接检测只能检测接收终端接收信号时的振幅，与相干检测不同。相干检测可以从光载波中通过与本地振荡器 local Oscillator （LO）正交相乘来得到一个信号具有振幅、频率和相位信息，而直接检测系统只能通过强度调制对光波进行调制。

相干检测起源于无线电通信，其中本地载波与接收的射频信号混合，产生一个乘积项。因此，收到的射频信号可以被解调或频率转换。

图1是相干检测的框图。在这个电路中，接收的信号m(t)cos(ωsct)有一个携带信息的振幅m(t)和一个频率为ωsc的射频载波，而本地振荡器有一个频率为ωloc。射频信号在射频混频器中与本地振荡器相乘，产生信号和本地振荡器之间的和与差频率。这个过程可以用下面的方程式来描述。

图1. 无线电通信中相干检测的方框图

通常使用低通滤波器来消除和频分量，因此，如果本地振荡器的频率与信号的频率相等（ωloc = ωsc），就可以恢复基带信号。当射频信号有多个且间隔很近的频率通道时，相干检测中出色的频率选择可以通过调整本地振荡器的频率来完成。这种技术已经在比率通信中使用了很多年，高质量的射频元件，如射频混频器和放大器都是标准化的。

对于光波系统中的相干检测，虽然基本原理相似，但其工作频率比无线电频率高许多数量级；因此所需元件和电路配置不同。在光波相干接收机中，输入光信号和本地振荡器之间的混合是在光电二极管中完成的，它是一个平方律检测装置。图2.7.2是光波系统中相干检测的典型原理图，输入的光信号和光局部振荡器在一个光耦合器中结合。光耦合器可以由自由空间中的部分反射镜或导波光学中的光纤定向耦合器制成。为了匹配输入光信号和本地振荡器（LO）之间的偏振状态，需要使用一个偏振控制器；它可以放在LO或输入光信号处。一个光电二极管将复合光信号转换为电域，并在信号和LO之间进行混合。

图2. 光波接收机中相干检测的方框图。PC：偏振控制器，PD：光电二极管，LO：本地振荡器

考虑传入光信号的场向量为

局部振荡器的场向量为：

其中As（t）和和A lo(t)分别是输入信号和LO的实际振幅，ωs和ωLO是它们的光频率，js(t)和jLO是它们的光相位。根据2×2光耦合器的光传递函数:

其中ε是光耦合器的功率耦合系数。在这个简单的相干接收机配置中，2×2耦合器的两个输出中只有一个被使用，另一个输出被终止。耦合器输出的复合光信号为

光电二极管具有平方律检测特性，光电流与输入光信号的平方成正比，也就是说:

其中ℜ是光电二极管的响应率，ωIF = ωs - ωLO是信号和LO之间的频率差，被称为中间频率（IF），Δj(t) = ϕs(t) - ϕLO是它们的相对相位差。我们忽略了公式中的和频项，因为ωs + ωLO仍在光域中，并将被跟随光电二极管的射频电路所消除。

方程6右侧的第一项和第二项是光信号和LO的直接探测分量。最后一项是相干检测项，它是光信号和LO之间混合的结果。

通常情况下，LO是一个以连续波工作的激光器。假设LO没有强度噪声；ALO是一个常数，其中PLO是LO的光功率。一般来说，LO的光功率要比光信号的光功率强得多，这使得响应率ℜ被频率的一次方影响，被功率的二次方造成巨大影响。

相干检测技术提供了出色的接收灵敏度和频率选择性。此外，由于数字信号处理技术的最新进展，线性和非线性损伤可以在不了解传输线的情况下进行补偿[192]。由于这些特点，相干检测技术与先进的调制格式和数字信号处理一起，成为以100Gb/s及以上速度运行的光通信系统的关键推动因素。这些优势对接入网也很有吸引力。例如，出色的接收灵敏度可以提高功率预算，并能够扩大波分复用光网络的最大覆盖范围[138,140,193]。

另外，通过利用相干接收机出色的频率选择性以及先进调制格式的高光谱效率，有可能在有限的带宽内容纳大量的波分信道，增加波分光缆支持的用户数量[194]。然而，相干检测技术被认为在接入网中的使用是非常昂贵的。例如，相干接收器需要一个本地振荡器（LO）及其波长控制电路来精确跟踪信号的波长。

此外，它还需要90度的光学混合器，而这些混合器通常是由块状光学器件或复杂的光波导制成。此外，对于偏振无关的操作，通常需要利用两套90度光混合器和光接收器。因此，为了在接入网中使用，开发一种具有成本效益的相干检测技术是至关重要的。最近，已经有一些尝试来实现这一目标[138,140,192,193]。

例如，已经开发了一种成本效益高的自同调相干接收机，用于长距离波分复用光缆[140]。图23.16显示了通过使用这种相干接收器实现的长距离WDM PON的上游链路示意图。在这种相干接收器中，一部分种子光（图中的cw光）被用作LO，用于上游信号的相干检测。因此，不需要利用额外的激光器作为LO以及与之相关的光学锁频环。

此外，上游信号的极化状态（SOP）只需在RSOA前面放置一个法拉第旋转器（FR）就可以自动稳定下来[140]。因此，也不需要利用昂贵的偏振分集技术（或偏振跟踪技术）。此外，为了进一步提高成本效益，相干接收器是通过使用廉价的3×3光纤耦合器作为120度光混合器而不是使用昂贵的90度光混合器实现的。

在ONU中，上行数据通过利用直接调制的RSOA的频率啁啾，以二进制相移键控（BPSK）格式进行调制（参考第23.5节）[140]。这样一来，传统相干接收机中使用的昂贵的光学元件就被取消了，或者被成本效益高的无源元件所取代。因此，这种相干接收器有可能具有足够的成本效益，可以在接入网中使用。

相干检测提供了在数字领域使用数字信号处理来补偿色散的机会，这使得一类新的海底系统不再采用任何光色散管理（见25.2.2.1节）。因此，信号在传输过程中会遇到非常大的累积色散值，这导致了时域中强烈的符号变宽和许多符号的重叠。

这种重叠倾向于使时域场随机化，从而有效地使同一信道和相邻信道的符号之间的互动随机化，对非线性系统的性能产生深刻的影响[6,14,17,22,36,49,53]。特别是，与用于直接探测的色散管理系统相比，非线性相互作用的随机化导致了非线性干扰的缓慢积累。

一个重要的结果是每个通道发射到传输光纤的最佳功率对系统长度的依赖性有一个可观察的差异。在色散管理传输中，非线性损伤与非线性相位的值有关，它与系统长度和路径平均功率成正比。

对于一个恒定的非线性相位，最佳的光纤发射功率因此随着系统长度的增加而减少。然而，在无色散补偿的传输中，在随机化发生作用的最小距离之后，最佳光纤发射功率变得与系统长度无关[48]。

图25.16显示了在两个不同的符号率和几个光谱效率下，进入传输光纤的最佳信道发射功率与D+传输路径的系统长度的关系。特别是在28GBd（100G）时，最佳信道发射功率在大约2000公里的传输距离后，在实验不确定度内与系统长度无关。为了在12GBd（40G）达到类似的随机化水平，需要大约4倍的色散，这解释了40G时对系统长度的小的残留依赖性。